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《超低功耗微控制器市场报告(第一版)》

王志杰2019-06-29 01:50:21


前言


本文简单介绍了ULP MCU及,并介绍了ULP MCU的行业评测标准EEMBC® ULPMark™,还列出了影响ULP MCU应用的主要的因素。对ULP MCU的市场规模做了一个简单的预测,盘点了国内外主要的ULP MCU厂商及产品和市场。


本文希望能对MCU相关从业者以及开发工程师有所帮助。由于本人水平有限,整理过程中不免有错误和疏漏,敬请指正。

另,超低功耗微控制器又称超低功耗单片机,其英文写法Ultra Low Power MCU ,简写为ULP MCU,本文统一使用ULP MCU。

简介

ULP MCU 是微控制器市场的一个细分市场,主要是面向电池或能量采集等供电方式的设备应用。一般地,ULP MCU采用了与通用MCU不同的技术工艺,降低了微控制器的能耗和漏电流,从而使得微控制器可以在使用相同能量的前提下,可以工作更长的时间,为电池或能量采集等方式供电的设备提供更持久的计算能力。

可供ULP MCU应用的常见供电电源主要有:


  • 电池 - 目前较为经济实惠普遍的供电方式。如纽扣电池、水表14505/18505电池等

  • 太阳能 - 光伏板,或者说太阳能电池板

  • 机械能 - 将振动的能量和人体的动能转化为电能

  • 磁场能 - 收集环境中的无线电能量,转换为电能。如RFID等应用


ULP MCU主要应用:

  • 低功耗物联网

  • 水表、气表等

  • 无线传感网络(WSN)

  • 可穿戴产品

  • 传感器

EEMBC

“EEMBC:被认为比Dhrystone和MIPS更具有实际价值的测试基准,也是一种新兴流行的嵌入式系统处理器测试基准,EEMBC由其技术委员会开发,表示实际应用中能用来测量处理器能力的算法。” —- 《百度百科》

EEMBC(Embedded Microprocessor Benchmark Consortium,嵌入式微处理器基准评测协会)是一个行业联盟,开发基准来帮助系统设计者选择最优的处理器,并了解其系统的性能和能量特性。EEMBC拥有针对云和大数据、移动设备(手机和平板电脑)、网络、ULP MCU、物联网(物联网)、数字媒体、汽车和其他应用领域的基准套件。EEMBC也有通用性能分析的基准,包括CoreMark、MultiBench(多核)和FPMark(浮点型)。

EEMBC® ULPMark™介绍

无论是物联网设备或其他类型的电池供电应用,超低功耗的影响都不尽相同。当电源严重受限时(如能量收集),需要最低的活动电流。当系统大部分时间处于待机模式时,需要最低的睡眠电流,不频繁地(周期性地或异步地)唤醒来处理任务。ULP还意味着很高的能源效率,在有限的时间内完成最多的工作。总的来说,应用程序需要在以上所有方面进行权衡。为确保ULP可以在几个月、几年年和几十年时间内运行,开发人员面临许多优化挑战。越来越多的MCU声称具有超低功耗功能,但开发人员不能只靠数据表的参数。EEMBC® ULPMark™对数据表参数进行了标准化,并提供了一套可靠、公平的测量MCU能效的方法。

EEMBC在2014年3月提出了ULPBench标准,目标在于为开发人员提供能可靠与合理测量MCU能效的方法。

ULPBench™两个版本

ULPMark-Core Profile (version 1.0) - 侧重于MCU内核。这个基准测试采用了一组通用的工作负载(workloads),可移植到8位、16位和32位微控制器上。内核配置文件(Core Profile)运行在一个一秒钟的占空周期内(Active),这些工作负载与一段时间的不活动状态(SLEEP)相结合,实现微控制器的低功耗模式的使用。

ULPMark-Core配置文件运行一个一秒钟的占空周期。在此时间内,设备会醒来并执行一定量的工作,然后再重新进入睡眠。

ULPMark-Peripheral Profile (version 2.0) (UNDER DEVELOPMENT) - 侧重于MCU常用外设,包括脉宽调制(PWM),模数转换(ADC),串行外设接口(SPI)以及实时时钟(RTC)。ULPMark 2.0定义了十个一秒的活动插槽,每个插槽ADC、SPI、PWM、RTC可变换使用,让MCU和外设在其活动完成后进入休眠状态。

该表提供了每个ULPMark-Peripheral Profile在一秒钟的时间内外设活动的简要说明。这个示例数据是真实的,来自某个微控制器,用来演示活动槽之间的差异。

ULPMark测量方法

两个版本的ULPMark都采用了EEMBC IoTConnect™框架,可移植到任何供应商的微控制器,为微控制器外设提供外部激励并协调能量测量的时序,并与EEMBC IoTMark™-BLE和EEMBC SecureMark™基准测试兼容。

EEMBC联盟成员

  • Ambiq Micro

  • Analog Devices

  • Andes Technology

  • ARM

  • Cypress

  • Dialog Semiconductor

  • Flex

  • Intel

  • Microchip

  • NXP

  • Nordic Semiconductor

  • ON Semiconductor

  • Renesas

  • Silicon Labs

  • STMicro

  • Texas Instruments

影响功耗的主要因素

超低功耗的设计主要是考虑电流消耗的管理。对于ULP MCU来说,尽可能减少工作的状态(active),置ULP MCU于休眠(sleep)或待机(standby)状态,以减少电流的消耗。

影响ULP MCU功耗的主要因素有:

  • 供电电压

  • 运行时钟频率

  • 技术工艺

  • 运行和待机/睡眠时间

  • 漏电流

  • 唤醒时间

  • 外设的功耗

  • 降低处理任务的运行频次

  • 程序运行的存储器类型

除选择合适的ULP MCU产品外,其周边的硬件电路设计也非常重要。可以配合运行任务,关闭或切断ULP MCU外部的器件或电路单元,在需要的时候再打开。

物联网中的ULP MCU

物联网一般采用云-管-端的架构。“云”是服务器。管则是连接云端与终端的管道,如网关等。“端”是传感终端,是物联网络的末梢终端,如传感器、通信模块等产品,ULP MCU一般是用在传感终端上,负责数据的采集和传输。

在目前ULP MCU实际应用中,电池是最为普遍的一种供电方式。物联网规模大、传感终端数量众多,不可能人工定期一个个去更换电池。所以一般设计是要求电池一次可以工作多年,甚至可以达到10年。这就对低功耗设计提出了要求。

一般地,物联网传感终端采集数据,进行数据处理,并将其转换为待发送的数据包,通过连接管道发送到云端。数据采集、数据处理、数据发送等任务都会消耗ULP MCU的资源,增加ULP MCU工作负载,功耗就会升高。可以在传感终端侧,尽可能让ULP MCU少做工作, 减少电流的消耗,增加电池的续航时间,通过有线或无线的方式将数据传输到云端后,在云端对数据进行更多的处理和计算。

ULP MCU市场规模

下面对通用MCU和超低功耗MCU的市场份额做了一个简单的预测,如下图所示:


从市场份额来看,超低功耗MCU的市场份额还不算大。个人预测,超低功耗MCU预估约占MCU市场份额的10~20%。超低功耗MCU市场的需求来自于电池供电或使用能量局限性的应用,如物联网、可穿戴设备等。近两年,低功耗物联网发展迅速,如低功耗广域网(LPWAN),对低功耗MCU需求的增长是明显的。


随着半导体公司对超低功耗MCU产品的投入,可选择的超低功耗MCU的产品也会大大丰富,超低功耗MCU市场的竞争也会推动超低功耗MCU应用和市场销售的增长。如以蓝牙5.0、窄带物联网(NB-IoT)等新技术的发展也会带动超低功耗MCU新产品的发展。

ULP MCU厂商

  • Texas Instruments

  • Microchip

  • STMicroelectronics

  • Silicon Labs

  • NXP

  • Renesas

  • Cypress

  • Ambiq Micro Inc.

  • Analog Devices

  • Maxim Integrated

  • Dialog Semiconductor

  • Nordic Semiconductor

  • ON Semiconductor

  • EM Microelectronic

  • Epson

  • 新唐科技股份有限公司

  • 上海灵动微电子股份有限公司

  • 上海微技术工业研究院

  • 华大半导体有限公司

  • 上海复旦微电子集团股份有限公司

  • 北京智芯微电子科技有限公司

  • 深圳市航顺芯片技术研发有限公司



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